家庭厨房煤气泄漏检测监控系统的设计

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1、机械工程测试技术课程设计家庭厨房煤气泄漏检测监控系统的设计专 业： 完成日期： 摘 要随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。本论文主要实现管道煤气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体传感器为研

2、究对象，以单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。通过虚拟仪器Lab VIEW进行控制之后，再通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制;程序实时监测系统状态。关键词：气体传感器，单片机，数据采集，Lab VIEW目录第一章绪论11.1论文研究来源、目的和意义11.1.1 论文研究来源21.1.2 论文研究目的和意义21.2可燃性气体报警器的国内外现状31.3本论文主要任务3第二章煤气泄露自动测试总体设计42.1设计要求52.1.1煤气泄露测试的功能52.1.2煤气泄露测试系

3、统框图52.1.2煤气泄露测试的各个功能模块62.2设计原理72.2.1气体传感器介绍72.2.2气体传感器的选定72.3数据处理82.3.1传感器非线性信号处理92.3.2数字滤波处理9第三章煤气泄露自动测试硬件设计93.1温度补偿电路113.1.1 OP07低噪声高精度运算放大器113.1.2温度补偿123.2模/数转换器ADC0809123.2.1 ADC0809的介绍123.2.2引脚功能133.2.3主要特性143.3单片机AT89C51的概述153.3.1 AT89C51简介153.3.2主要性能参数153.3.3管脚说明163.4 声光报警与LED显示193.4.1声光报警单元1

4、93.4.2 LED显示203.5排气扇控制系统与切断阀213.5.1光电隔离器213.5.2继电器选择223.5.3光电隔离电路23第四章接口总线224.1 RS-232接口总线22结论24谢 辞25参考文献26第一章 绪论1.1论文研究来源、目的和意义1.1.1 论文研究来源随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用

5、先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.1.2 论文研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等1。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境

6、中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重

7、要得意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.2可燃性气体报警器的国内外现状国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全

8、性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类

9、型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。(1)民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气

10、体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛

11、应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。1.3本论文主要任务本篇论文是煤气泄漏自动检测的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气检测的检测与报警。数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机;计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。 第2章煤气泄露自动测试总体设计2.1设计要求2.1.1煤气泄露测试的功能在

12、本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、输入键盘、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。2.1.2煤气泄露测试系统框图 图2-1系统框图系统工作流程为:由装在室内的CO传感器获得被测量对象(室内CO浓度)原始信号,经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入A/D转换,得到被测对象的

13、数字量信号,再由单片机进行数据处理,得到最终的室内环境CO浓度值,将此数据通过数码管显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标立即向光隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇, 如果超出下限值，切断阀关闭，并开始进入危险期计时,如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处于危险状态,则有可能排气扇未能打开,或者房间发生严重CO泄露事故,此时启动预警信号进行语音报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。如果系统接有上位机工作的话,可通过通信接口对单片机组成的下位机系统进行参数设置,并可定时地从数据缓冲区中读取以前测量的数据值,进行二次处理加工或存入数据库永久保

14、存。具体技术指标如下：应用范围：工业生产和人民生活中的CO检测；检测对象：CO及他们的混合气体；检测范围：CO:01000ppm；检测精度：CO优于20ppm；报警浓度：100ppm300ppm响应时间：30ms；电池电压：+12V；工作温度范围：-20+70；工作湿度范围：1095%RH。2.1.2煤气泄露测试的各个功能模块在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。为了实现以上功能：系统应该具备气

15、体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。2.2设计原理2.2.1气体传感器介绍1. 气体传感器是气体与气味检测的关键元件。根据其气敏特性，气体传感器可以分为六大类：(1) 半导体气体传感器。(2) 固体电解质气体传感器。(3) 接触感染式气体传感器。(4) 电化学式气体传感器。(5) 光学式气体传感器。(6) 高分子气体传感器。2. 气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1) 能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。(2) 对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3) 对检测信号响应速度快，重复性好。(4) 长期工作稳定性好。(5) 使用寿命长。(6) 制造成本低，使用与维护方便。